Linux下使用C语言编写网络程序的基础知识

在Linux操作系统上使用C语言编写网络程序是一项重要的技能，它可以让我们更好地理解底层网络通信原理，并实现各种有趣的网络应用。本文将介绍一些Linux下编写网络程序的基础知识。

1. TCP/IP协议栈

TCP/IP协议栈是互联网上数据传输的基本协议，它定义了通信双方数据传输时所遵循的规则。在Linux下使用C语言编写网络程序，我们需要了解如下协议层级：

• 物理层：负责传输比特流，如网线、电缆等物理设备。
• 数据链路层：负责将比特流分割成帧，如以太网帧、Wi-Fi帧等。
• 网络层：负责将数据包从源主机传输到目标主机，使用IP协议，如IPv4、IPv6。
• 传输层：负责为应用程序提供端到端的可靠数据传输，使用TCP或UDP协议。
• 应用层：负责处理应用程序之间的通信，如HTTP、FTP、SMTP等协议。

2. Socket编程

在Linux中，Socket是一种通信机制，可以用于在不同主机之间进行网络通信。它可以看作是一种特殊的文件，使用文件I/O的方式读写数据。

在C语言中，我们可以使用<sys/socket.h>库来进行Socket编程。下面是一个简单的基于TCP协议的Socket客户端和服务器端的示例：

// 服务器端代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

int main() {
   int sockfd, newsockfd, portno, clilen;
   char buffer[256];
   struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
   int n;

   sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   if (sockfd < 0) {
      perror("ERROR opening socket");
      exit(1);
   }

   bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
   portno = 5000;
   serv_addr.sin_family = AF_INET;
   serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
   serv_addr.sin_port = htons(portno);

   if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
      perror("ERROR on binding");
      exit(1);
   }

   listen(sockfd, 5);
   clilen = sizeof(cli_addr);
   newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *) &cli_addr, &clilen);
   if (newsockfd < 0) {
      perror("ERROR on accept");
      exit(1);
   }

   bzero(buffer, 256);
   n = read(newsockfd, buffer, 255);
   if (n < 0) {
      perror("ERROR reading from socket");
      exit(1);
   }

   printf("Here is the message: %s\n", buffer);
   n = write(newsockfd, "I got your message", 18);
   if (n < 0) {
      perror("ERROR writing to socket");
      exit(1);
   }

   close(newsockfd);
   close(sockfd);

   return 0;
}

// 客户端代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>

int main() {
   int sockfd, portno, n;
   struct sockaddr_in serv_addr;
   struct hostent *server;

   char buffer[256];

   portno = 5000;
   sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   if (sockfd < 0) {
      perror("ERROR opening socket");
      exit(1);
   }

   server = gethostbyname("localhost");

   bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
   serv_addr.sin_family = AF_INET;
   bcopy((char *)server->h_addr, (char *)&serv_addr.sin_addr.s_addr, server->h_length);
   serv_addr.sin_port = htons(portno);

   if (connect(sockfd,(struct sockaddr *) &serv_addr,sizeof(serv_addr)) < 0) {
      perror("ERROR connecting");
      exit(1);
   }

   printf("Please enter the message: ");
   bzero(buffer,256);
   fgets(buffer,255,stdin);

   n = write(sockfd, buffer, strlen(buffer));
   if (n < 0) {
      perror("ERROR writing to socket");
      exit(1);
   }

   bzero(buffer,256);
   n = read(sockfd, buffer, 255);
   if (n < 0) {
      perror("ERROR reading from socket");
      exit(1);
   }

   printf("%s\n", buffer);
   close(sockfd);

   return 0;
}

在上面的代码中，服务器端通过socket()函数创建一个Socket，通过bind()函数将Socket与IP地址和端口号绑定，然后通过listen()函数进行监听，最后通过accept()函数接受客户端连接。客户端通过socket()函数创建一个Socket，并通过connect()函数连接到服务器，然后通过write()函数发送消息给服务器，最后通过read()函数接收服务器返回的消息。

3. 网络字节序转换

由于不同主机的字节序可能不同，因此在网络传输数据时需要进行字节序转换。在C语言中，可以使用htons()、htonl()、ntohs()、ntohl()等函数进行字节序转换。例如：

unsigned short int host_port, network_port;
unsigned long int host_ip, network_ip;

host_port = 12345;
network_port = htons(host_port);

host_ip = inet_addr("192.168.1.100");
network_ip = htonl(host_ip);

4. 多进程/多线程网络编程

在实际应用中，单进程/单线程的网络编程往往不能满足需求。在Linux中，我们可以使用多进程或多线程来实现高并发的网络编程。

使用多进程编程时，我们使用fork()函数创建一个子进程，然后在子进程中处理客户端请求，父进程继续监听。例如：

int main() {
   int sockfd, newsockfd, portno, clilen;
   char buffer[256];
   struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
   int n;

   sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   // ...

   while (1) {
      newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *) &cli_addr, &clilen);
      if (newsockfd < 0) {
         perror("ERROR on accept");
         exit(1);
      }

      pid_t pid = fork();
      if (pid < 0) {
         perror("ERROR on fork");
         exit(1);
      }

      if (pid == 0) {
         bzero(buffer, 256);
         n = read(newsockfd, buffer, 255);
         if (n < 0) {
            perror("ERROR reading from socket");
            exit(1);
         }

         printf("Here is the message: %s\n", buffer);
         n = write(newsockfd, "I got your message", 18);
         if (n < 0) {
            perror("ERROR writing to socket");
            exit(1);
         }

         close(newsockfd);
         exit(0);
      } else {
         close(newsockfd);
      }
   }

   close(sockfd);

   return 0;
}

使用多线程编程时，我们使用pthread_create()函数创建一个新线程，然后在新线程中处理客户端请求，主线程继续监听。例如：

#include <pthread.h>

void *handle_client(void *arg) {
   int newsockfd = *(int *)arg;
   char buffer[256];
   
   // 处理客户端请求

   pthread_exit(NULL);
}

int main() {
   int sockfd, newsockfd, portno, clilen;
   struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;

   sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   // ...

   while (1) {
      newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *) &cli_addr, &clilen);
      if (newsockfd < 0) {
         perror("ERROR on accept");
         exit(1);
      }

      pthread_t tid;
      pthread_create(&tid, NULL, handle_client, (void *)&newsockfd);
      pthread_detach(tid);
   }

   close(sockfd);

   return 0;
}

结论

本文介绍了在Linux下使用C语言编写网络程序的基础知识，包括TCP/IP协议栈、Socket编程、网络字节序转换以及多进程/多线程网络编程。深入了解这些知识将使我们能够更好地实现各种高效、稳定的网络应用程序。希望本文对你有所帮助，如果有任何疑问，请随时留言交流。

本文来自极简博客，作者：风华绝代，转载请注明原文链接：Linux下使用C语言编写网络程序的基础知识